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下一个万亿市场:今天我们来认识下黒磷

发布时间: 2017-08-25 10:54     来源: 新资讯

我们都知道,相较于传统材料的诸多优异性能,新材料越来越受各国重视,其中化工新材料、微电子、光电子、新能源成了研究最活跃、发展最快、最为投资者所看好的新材料领域。材料创新已成为推动人类文明进步的重要动力,成为一国科技发展的重要支撑。

为此,我国在新材料产业“十二五”发展规划中,重点针对特种金属功能材料、高端金属结构材料、先进高分子材料、新型无机非金属材料、高性能复合材料以及前沿新材料等领域做了具体规划,进一步促进新材料产业发展。

据观察,在众多新材料中,石墨烯被誉为“黑金”和“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”,受到了各界广泛关注。一时间石墨烯概念成为了“黑科技”的代名词。与此同时,近年来与石墨烯一样拥有二维层状结构的黑磷也展现出卓越的电学和光学特性,被视为新的超级材料,其在光电器件、催化和生物医学领域的巨大应用潜力引起了全世界的广泛关注。有人更认为,黑磷将超越石墨烯,带来下一个万亿市场。那么今天我们就简单介绍下黒磷这种新材料,看看它究竟有何神奇之处。

什么是黒磷?

黑磷具有正交结构且是反应活性最低的磷同素异形体。其晶格是一个相互链接的六元环,每个原子都与其他三个原子相连 。黑磷在常温常压下是一种热力学稳定的磷的同素异形体,因此黑磷难以制备,一般是通过将白磷在高压条件下加热制得。

黑磷在外观、性能和结构上都很像石墨,呈现黑色、片状,并能导电,链接原子呈褶皱的片状。在层状黑磷结构中的声子、光子和电子表现出高度的各向异性,在电子薄膜和红外线光电子技术上有重大潜在应用价值。在黑磷中光吸收对光偏振、薄膜厚度和掺杂十分敏感。

黑磷光电晶体管也表现出在红外和可见光中的高光谱检测。黑磷与石墨的相似之处还包括可剥离的可能性,形成亚磷,一种具有优良电子转移性能的类石墨材料,剥离的黑磷暴露在空气和水中时会被氧化,在真空中加热到400℃ 时升华。这种高质量、层数少的黑磷纳米片可以通过液相剥离制备。

黒磷能做什么?

1、光电探测

近年来,中波红外在热成像、分子鉴定、自由空间通讯、光学雷达等方面获得越来越广泛的应用,以上领域都要求器件在室温下具备高灵敏度。目前非制冷(室温)红外探测器的主流技术为热敏电阻式微辐射热计,但是器件的比探测率偏低、响应时间慢,核心技术也受到国外的封锁。

针对这方面的技术挑战,南京大学物理学院缪峰教授(点击查看介绍)课题组及科研合作团队利用新型窄带隙二维材料“黑砷磷”(b-AsP)及相关范德华异质结,成功实现了室温性能超越现有商用技术的高灵敏中波红外光电探测,为推动二维材料在红外探测领域的应用迈出重要一步。

2、新型激光器

由剑桥大学石墨烯中心Tawfique Hasan博士带领的研究发现,黑磷(BP)是一种与石墨烯相似的独特二维材料,与传统的喷墨打印技术相兼容,使其可能成为实现首次基于BP的激光器和光电子器件的可扩展大规模制造。

来自剑桥、伦敦帝国理工学院、芬兰阿尔托大学、北京航空航天大学以及浙江大学的跨学科科学家团队精心优化了BP的化学成分,以便通过复杂和竞争的流体效应的平衡来实现稳定的油墨。这样一来,便能够通过高速打印生产新的功能激光器和光电子器件。

3、光伏

中国科学院深圳先进技术研究院研究员喻学锋与中南大学冶金与环境学院副教授杨英以及物理与电子学院副教授肖思等合作,在黑磷光伏器件应用领域取得进展。研究团队创新性地将大小仅为几个纳米的黑磷量子点应用于构筑染料敏化太阳能电池的光阴极。染料敏化太阳能电池具有成本低廉、工艺简单且环境友好等优点,而实现太阳能电池高转化效率的首要途径就是尽可能提高太阳光的利用率。

团队利用黑磷量子点的近红外强吸收和高光电转换能力,将黑磷量子点沉积于多孔导电聚苯胺薄膜表面,制备出可红外光响应的光阴极,与光阳极形成互补的光吸收,将器件的光吸收范围扩展至可见-红外波段,从而组装成可双面进光的准固态染料敏化太阳能电池。电池性能测试结果表明,沉积黑磷量子点后光阴极实现了对低能红外光子的充分利用,并有效增加了器件的光生载流子浓度,从而将太阳能电池的光电转换效率提高了20%。该研究成果表明黑磷量子点在太阳能电池、光伏器件等领域的巨大应用潜力。

4、半导体材料

固体所物质计算科学研究室邹良剑研究员与中国科技大学陈仙辉教授研究团队以及香港大学沈顺清教授合作,在静水压调控块体黑磷的电子结构研究方面取得重要进展,证明压力下黑磷可以从半导体转变成狄拉克半金属。有业内人士预计,黑磷有望借此技术向半导体材料迈出重要一步,取代石墨烯也并非没有可能。

黑磷的光学性能同其它半导体相比也有巨大优势,它的半导体带隙是直接带隙,即导带底部和价带顶部在同一位置,这意味着黑磷可以和光直接耦合,构筑新一代光电器件。此外,黑磷还具有独特的力学、电学和热学的各向异性。尽管黑磷已在多个领域展现出巨大的应用潜力,它却存在着一个致命缺陷:缺乏稳定性。当接触水和氧气时,黑磷层片会在极短时间内氧化进而降解掉。这一缺陷极大地限制了黑磷的研究和工业应用。

5、生物医药

中美联合课题组在黑磷生物医学新应用上取得新突破,发现黑磷纳米薄片可实现肿瘤的光热治疗、化疗和生物响应的三重协同治疗,多模式精准治疗癌症。比起传统的治疗方法,黑磷纳米片载药系统更加高效、精准。黑磷纳米薄片对于阿霉素的负载量显著高于传统的聚合物纳米粒子载体,提高了化疗药物疗效。黑鳞纳米薄片在808nm激光照射下能够产生局部高热,一方面可以用于肿瘤的光热治疗,另一方面也能够驱动药物的释放。

研究表明,黑磷载药纳米薄片在生物体内的安全性和抑瘤效果较为明显,试验验证了黑磷载药纳米薄片具备很好的生物相容性,研究中采用的生物响应调节的化疗—光热治疗联合治疗方法,这些多模式可精准治疗癌症。目前,该研究在动物实验上取得突破,并在免疫缺陷的裸鼠身上取得了强化的抑瘤效果。

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